09.19 超高层：建筑幕墙结构，新材料和新做法的运用

[摘要]高度200m以上的超高层建筑都采用幕墙作为围护结构，这是由高层建筑的特殊性质所决定的。幕墙的结构形式不仅重量小，而且能抵抗高烈度地震和强台风的袭击。

幕墙可以采用多种面板材料，具备各种表面造型，充分满足建筑艺术的要求。其中大量采用的玻璃，具有透明、轻质、高强、耐久四大特性，使玻璃幕墙广泛采用。

文中介绍了已建成和在建的几座500m以上的建筑的玻璃幕墙以及幕墙的新材料和新做法。

1 中国是超高层建筑最多的国家

近二十年来，随着中国经济实力的高速增长，城市化进程加快，基建投资也急剧增多，超大规模、超高度的建筑如雨后春笋在各城市拔地而起。中国迅速超过美国，成为世界上超高层建筑最多的国家。

笔者根据手头资料的不完全统计，截至2018年5月，包括已经立项、设计中、施工中和已经建成的超高层建筑，数量分布见表1。

由表1可见，在300m以上的超高层建筑中，无论哪一个高度，我国均占全部数量的一半左右。高层建筑的迅速发展，直接带动了我国建筑幕墙行业的迅速发展。

2 中国是建筑幕墙生产和使用大国

建筑幕墙的应用始于19世纪末，当时只用于建筑的局部，且规模较小。1851年英国伦敦工业博览会建造的“水晶宫”是最早出现的初级建筑幕墙；到20世纪50年代，随着建筑技术的发展，玻璃幕墙开始大规模应用于建筑外围护结构，宣告建筑幕墙时代的到来；到20世纪80年代，随着建筑幕墙技术的发展和玻璃生产工艺、加工工艺的进步，玻璃幕墙得到更广泛的应用。

1981年，我国内地第一片玻璃幕墙出现在广交会的正立面；1984年，北京长城饭店成为第一座采用玻璃幕墙的高层建筑。30多年以来，伴随着我国国民经济的持续快速发展和城市化进程的加快，我国建筑幕墙行业实现了从无到有、从外资一统天下到国内企业主导、从模仿引进到自主创新的跨越式发展，到21世纪初我国已经成为建筑幕墙世界第一生产大国和使用大国。

2017年，我国建筑幕墙生产量已达10000万m²，占全世界建筑幕墙总产量的85%。我国现存建筑幕墙总量超过10亿m²，其中玻璃幕墙的数量超过5亿m²。这5亿m² 的玻璃幕墙中，有相当大的一部分用于超高层建筑。

3 幕墙是超高层建筑不可代替的墙体形式

3.1 建筑幕墙

建筑幕墙不同于低层建筑常见的混凝土墙体和砌体墙。幕墙石油支承结构体系与面板组成的、可相对于主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰结构。

幕墙相对于主体结构有一定位移能力，一般位于主体结构面的外侧（有些工程可以是主体结构在外、幕墙结构在内，如广州塔）。在地震、台风作用下，主体结构发生水平位移时，不会强迫幕墙也发生完全相同的面内水平位移，因而幕墙在强震和大风中保持完好，或者有轻微损坏。

3.2 幕墙具有良好的抗震和抗风能力

超高层建筑在地震和大风中会产生很大的水平位移，所以会采用幕墙来作为外围护结构。振动台实验表明：幕墙可以承受 1/100 至 1/50的位移量。幕墙能承受的位移值远远超出主体结构的位移限值，这就是在地震和台风灾害中，幕墙结构能保持完好或者损害轻微的原因。

下图为在2008年汶川大地震中经受烈度为9度强震后的建筑物，其玻璃幕墙、石材幕墙都保持完好。

图：汶川地震后，都江堰、绵阳、青城山等9度地区的幕墙

2016年9月，莫兰蒂台风袭击厦门，风力达14级到17级，风荷载达规范值的1.8到2倍，但是高层建筑玻璃幕墙基本保持完好，幕墙破损的建筑很少（下图）。

3.3 玻璃同时具备四大特点

玻璃门窗用于建筑的历史非常久远，甚至于难以考据。玻璃幕墙的应用，则开始于1951年建成的纽约利华大厦，此后迅速成为高层建筑，特别是超高层建筑首选的墙体材料。

玻璃作为建筑材料，同时具备四大特点：透明、高强、轻质、耐久。而其他墙体材料，都不能同时具备这些特点（表2）。

玻璃的透明性：玻璃是透明材料。普通浮法玻璃的可见光透过率为80%。超白玻璃是降低了玻璃中的铁元素，更加晶莹透亮，可见光透过率提升到85%以上。聚碳酸酯板（PVC板）的透光率可达75%~80%。薄膜材料（如ETFE）只能透过漫射光，透光不透明。

玻璃是高强轻质材料：玻璃是脆性材料，但具有很高的抗拉强度。在常用墙体材料中，其抗拉强度仅次于钢材，远高于其他材料（表3）。

玻璃板的抗弯强度很高，特别是钢化玻璃板。因此玻璃幕墙的玻璃面板很薄，通常为6mm~10mm。即使采用中空玻璃或夹胶中空玻璃，面板由2层或3层玻璃组成，单位面积的重量也不过是0.3kN/m²~0.7kN/m²，远小于混凝土墙体的3.5kN/m²~5.0kN/m²。

玻璃幕墙的重量大概相当于砖墙、混凝土墙的1/8~1/5，玻璃幕墙的轻质，使得它成为高层建筑和超高层建筑墙体材料的首选。

金属板（不锈钢板、铝板）虽然也符合轻质墙体的要求，但是金属板不透明，不具备通透、晶莹、飘逸的质感，因而在超高层建筑中不受建筑师的青睐，很少使用。

3.4 没有玻璃幕墙，就没有500m以上的超高摩天大楼

由于重量太大，强度较低，石材幕墙很少会在400m以上的建筑中采用。同样，400m以上的超高层建筑，由于建筑艺术功能要求的因素，建筑师也不会选择采用金属板材。到了500m以上,几乎清一色玻璃幕墙。可以说，没有玻璃幕墙，就没有500m以上的超高摩天大楼。

采用玻璃幕墙，外墙的重量大约为建筑物总重量的1/100。这为建筑物高度的向上延伸创造了必要的条件。例如，上海环球金融中心，高度495m，建筑物总重量约为80万t，玻璃幕墙的重量为5000t，只占建筑物总重量的1/160，如果换成传统材料的外墙，墙的重量将增大至8倍，连带梁、柱、基础结构都要增大，建筑物总重量将增加10万t以上。不仅建筑造价增高，而且基础和桩的设计施工都带来更多的困难。

上海中心总重量76万t，玻璃幕墙重量为总重量的1/100。

目前已建成的世界最高建筑是迪拜哈利法塔，828m；国内已建成最高建筑是上海中心，632m；国内正在施工最高的建筑是武汉绿地中心，636m；正基础施工的最高建筑是苏州中南中心，729m。这些最高建筑无一例外，全部采用玻璃幕墙。

4 超高摩天大楼的玻璃幕墙

4.1 迪拜云溪塔

建造中的迪拜云溪塔高度未最后确定，预计为960m至1196m。目前基础正在施工。云溪塔为钢筋混凝土单筒体，加上两组弧形布置的钢拉索（图3）。高度700m至900m区段布置50层高空酒店，全部为玻璃幕墙。由于工程刚开始施工，有关细节还可能变动。已初步确定，该工程上部结构将由中建总公司承建。

（↑↑↑图3 迪拜云溪塔）

4.2 吉达王国塔

沙特阿拉伯王国吉达正在施工一座高度1007m、208层的王国塔（图4）。建筑平面为三叉形，立面为针形，630m高度上有一个700m²的室外观光平台。

主体为混凝土剪力墙结构，外部为玻璃幕墙。幕墙为半隐框结构，玻璃为10mm+16mm空气层+10mm中空。幕墙由中国公司设计，2017年5月完成试验，9月已经开始安装。

（↑↑↑图4沙特吉达王国塔）

4.3 迪拜哈利法塔

哈利法塔的高度为828m，是目前世界上最高的建筑幕墙。建筑幕墙总面积为13.5万m²，其中塔楼部分为12万m²。在塔楼幕墙中，玻璃10.5万m

²，不锈钢板1.5万m²。采用单元式明框幕墙，共有23566个单元板块（图5~图11）。本工程由中国承建，玻璃、铝型材、五金件和密封胶均采用中国产品。

采用中空玻璃，16mm空气层，两片超白玻。外片镀银灰反射膜；内片镀Low-E膜。两膜均朝空气层，可见光透射率20%；综合热透射率16%。。单元板块有21种主要板型，尺寸由1.3mX3.2m到2.25mX8m。

4.4 武汉国际金融中心（武汉绿地）

武汉国际金融中心，即武汉绿地中心，原设计高度636m，125层；后因限高，实际结构高度为495m。平面为圆角三叉形，竖向逐渐内收呈圆滑曲线。立面上开有喇叭形洞口，可以减少主体结构和幕墙所受的风力（图12）。

采用12mm半钢化玻璃，中空，Low-E，外夹层玻璃，内单片玻璃。板块均为不规则四边形，几乎没有完全相同板块。

每层设三道水平线条，最上面为金属装饰条，下面为两道水平金属遮阳板（图13）。

（↑↑↑图12武汉绿地中心立面）

（↑↑↑图13武汉绿地中心玻璃幕墙）

4.5 上海中心大厦

上海中心127层，高度632m，外形为螺旋上升的中国龙。玻璃幕墙由内幕墙和外幕墙组成（图14~图16）。内幕墙与外幕墙之间形成12~15层高的内庭，按防火要求，内幕墙必须为防火幕墙。内幕墙直接支承在楼面结构上，外幕墙每12层~15层为一组，通过水平钢管和竖向吊杆悬挂在上端外挑的楼面结构上（图17、图18）。

外幕墙采用超白半钢化SGP夹胶玻璃。12mm超白+1.52mmSGP+12mm超白。由于外幕墙有螺旋上升的造型，为复杂的双曲面，为此平面板块单元错缝锯齿形安装，拟合造型曲面（图19、图20）。

内幕墙为防火幕墙，采用（8mm超白+0.89mmSGP+8mm超白）+12A+8mm铯钾防火玻璃。支承结构均采用冷弯薄壁型钢，梁壁厚3mm，柱壁厚4mm。钢结构外包铝型材（图22~图24）。

4.6 深圳平安金融中心

深圳平安金融中心高度600m，玻璃幕墙高度590m（图25、图26）。明框，单元式。玻璃为超白、Low-E，中空，外片夹胶，内片钢化（图27）。

4.7 广州塔

广州塔高度600m，玻璃幕墙高度460m（图28、图29）。明框玻璃幕墙采用三角形单元板块，尺寸为1500mmX3500mm。双夹层半钢化中空玻璃，（8mm+1.52mmSGP+8mm）+12mmA+（8mm+1.52mmSGP+8mm）（图30~图33）。

4.8 广州东塔（周大福中心）

广州东塔高度540m，玻璃幕墙，带竖向陶板装饰条（图34）。单元式板块。玻璃超白、夹层中空（图33~图39）。

4.9 天津高银117

天津高银117高度为592m，117层。32、63、94和115~116层为高层大堂，顶部设有钻石型玻璃顶（图40）。

幕墙总面积14.7万m²，分为2万单元板块。标准层单元4.3mX1.5m，1.4万单元板块；屋顶钻石幕墙板块约为2mX2m。玻璃配置为外玻璃PVB夹层，超白Low-E半钢化；12mm中空；内层玻璃钢化。

大面幕墙：（8mm+1.52PVB+8mm）+12A+8mm

高空大堂：（8mm+1.52PVB+8mm）+12A+12mm/10mm

钻石幕墙：（10mm+1.52PVB+10mm）+12A+10mm（倒挂）

10mm+12A+（10mm+1.52PVB+10mm）（正放）

典型大样和节点见图41。

4.10 天津周大福

天津周大福高度525m,外形像立在发射台上的火箭。由于幕墙是曲面，用平面玻璃拟合时，只能上下排玻璃错缝（图43）。

图43 天津周大福的玻璃幕墙

5 结语

高度500m以上的超高摩天大楼，外维护结构的选择就是采用玻璃幕墙。超高玻璃幕墙的基本选择是：明框，单元式，双夹胶中空或外夹胶内钢化中空。夹胶的玻璃可以考虑采用半钢化。优先采用超白玻璃，钢化玻璃应采用超白玻璃。高度500m以上超高层摩天大楼的夹胶玻璃，其中间层胶片宜考虑采用离子型胶片SGP。以提高玻璃幕墙的安全性。

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